(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードが取り付けられたハブと、ハブに取り付けられた主軸と、主軸に連結されて主軸の回転力を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機と、主軸と発電機を支持してナセルに連結された支持フレームと、ナセルが取り付けられたタワーとを備え、前記支持フレームは、ブレードが取り付けられているハブに相対する部分が環状であり、この環状部分の外周側面とハブの内側との間に、回転軸受けがハブの先方側と後方側に配されることで、ハブ及びハブに取り付けられた主軸が支持フレームに回転可能に取り付けられ、ブレードが取り付けられたハブの回転力だけがハブに取り付けられた主軸に伝わる構造とされているとともに、前記支持フレームの下側が前記増速機の下方側まで及ぶように延設されて前記ナセルのタワー側に連結固定されており、かつ、前記支持フレームの上側が前記増速機の上方側まで及ばない構造とされていることを特徴とする風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海岸線や山間地等に設置されて風力によりブレード（回転翼）を回転させて発電する風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電機は、定格出力とブレードの長さにあわせ、主軸と主軸の軸受けの強度を決めた設計になっていて、取付け可能なブレードの長さが制限されている。また、回転軸がナセルの内部に回転可能に支承されているもので、つまりブレードと連結される主軸が回転する構造のものであり、上記回転軸の軸線方向に増速機等が連結配置されているものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−２５２６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の風力発電機で取得エネルギー量を増やすためには定格出力が大きく、長いブレードがつけられた機種を選択することになるが、風力発電機は設置される場所の風速で取得可能なエネルギー量は決まってしまうため、風速と関係なく大きな定格出力の風力発電機を設置することは設備利用率が低下し、無駄な設備投資にとなる。ここで、風力発電機の取得エネルギー量を説明しておくと、取得エネルギー量は、ブレードの回転面積に比例し、風速の３乗に比例する。
【０００４】
定格出力を変えることなく、取得エネルギー量を増やすためには、ブレードの回転面積を増やせばよいが、そのために長いブレードを取り付けようとすると、ブレードの取り付けられているハブの重量が増加するほか、それを支持する主軸に働く力が大きくなる分、従来の風力発電機の構造では、結果大きな定格出力の風力発電機と同じ構造になってしまう。
【０００５】
また、従来の上記回転軸の軸線方向に増速機等が連結配置されているもので、ブレードの回転や渦、乱流による振動が主軸を通じて増速機の軸に直接伝わってしまう問題や、メンテナンスがし難い等の問題も有していた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述の通り風力発電機の取得エネルギー量を増やそうとするときに起こる問題点を解決し、定格出力が同じで設備利用率が高い風力発電機を実現するとともに、ブレードの回転や渦、乱流によるによる振動が主軸を通じて増速機の軸に直接伝わらず、メンテナンスも容易な風力発電機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１記載の風力発電機は、ブレードが取り付けられたハブと、ハブに取り付けられた主軸と、主軸に連結されて主軸の回転力を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機と、主軸と発電機を支持してナセルに連結された支持フレームと、ナセルが取り付けられたタワーとを備え、前記支持フレームは、ブレードが取り付けられているハブに相対する部分が環状であり、この環状部分の外周側面とハブの内側との間に、回転軸受けがハブの先方側と後方側に配されることで、ハブ及びハブに取り付けられた主軸が支持フレームに回転可能に取り付けられ、ブレードが取り付けられたハブの回転力だけがハブに取り付けられた主軸に伝わる構造とされているとともに、前記支持フレームの下側が前記増速機の下方側まで及ぶように延設されて前記ナセルのタワー側に連結固定されており、かつ、前記支持フレームの上側が前記増速機の上方側まで及ばない構造とされていることを特徴とする。
【０００８】
ブレードの長さの最大化を図ると、ブレードが取り付けられたハブの重量が重くなるが、本発明によれば、ハブを支持フレームに回転可能に取り付けることによりヨーベース（台座）を通してタワーに直接伝えることができる。すなわち、前記支持フレームは、ブレードが取り付けられているハブに相対する部分が環状であり、この環状部分の外周側面とハブの内側との間に、回転軸受けがハブの先方側と後方側に配されることで、主軸にかかる力をハブの回転力だけにできる。
【０００９】
また、ブレードの長さを最大化することで発生する定格出力に比べ必要以上の回転力は、ブレードの制御によりかからなくすることができる。
【００１０】
主軸と主軸から動力発生装置の回転軸上に取り付けられた制御装置は、ブレードとハブの重量に影響されることなく、保守、交換、修理ができる。なお、制動装置は、ハブに対するブレーキと連動する形で発電機に備わっている。
【００１３】
本発明の風力発電機としては、前記ベアリングは、ハブの先方側と後方側に少なくとも２個使用されて、先方側のベアリングを取り外すと後方側のベアリングを取り外すことができる。
【００１４】
本発明によれば、前記ベアリングは、大小２個使用されて、小さい方のベアリングを取り外すと、これよりも径の大きなベアリングを取り外すことができるので、解体するときや点検作業、保守作業や清掃作業の容易化が図られる。
【００１５】
本発明の風力発電機としては、前記ハブに取り付けられた主軸の側のスプロケットにブレーキ機構を取り付けることができる。
【００１６】
本発明によれば、上記スプロケットと同列にブレーキ機構が取り付けられることにより、ブレーキによる熱負荷の軽減と制動性の向上が図られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１記載の風力発電機によれば、ブレードが取り付けられているハブのラジアル荷重、スラスト荷重を支持フレームで支持する構造とすることで、これまでのような過大な発電機や増速機を設備することなく、ブレードの長さを最大化し、取得エネルギー量を増やすことができ、設備利用率の高い風力発電機を提供することができる。また、風力発電機の構成要素のうち、装置内に増速機を持たない構造とする場合、ブレードの長さと発電機の定格出力はそれぞれ任意に選定可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る風力発電機を、添付図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、図１に示すように、タワー１０の上にナセル１１が取り付けられ、風で回転するブレード（回転翼）２は、ハブ３に取り付けられ、ハブ３は、支持フレーム４に軸受け５を介して取り付けられている。主軸１は、ハブ３に取り付けられ、増速機７にカップリング９を介して接続されており、さらに発電機８へとつながっている。支持フレーム４は、少なくともブレード２の取り付けられている部分は環状であり、回転可能に取り付けられたハブ３の支持にベアリング等の回転軸受け（ころ軸受け）５を２箇所以上前記環状部分に用いている。つまり、回転軸受け５は、主軸１の先端側と増速機７側に２個取り付けられているが、この２個以上で受けることも可能である。
【００２１】
上記構成により、風の力を受け複数のブレード２がハブ３を中心に回転すると、上記ハブ３は、軸受け５により支持フレーム４に支持されていることから、複数のブレード２とハブ３の重量は支持フレーム４に支えられ、主軸１には、ハブ３の回転力だけが伝わる。したがって、主軸１と動力発生装置である増速機７、発電機８は定格出力を発生させるために必要な大きさのものでなくとも、ブレード２は取得エネルギーを増やすため長さを最大化でき、設備利用率の高い風力発電機を提供することができる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
この風力発電機は、図２と図３に示すように、ブレード２と連結される主軸１と、主軸１の回転力を増速して出力する増速機７と、増速機７の出力によって駆動される発電機８と、主軸１を支持する支持フレーム４等とを備える。そして、第１の実施の形態と同様、上記ブレード２はハブ３を介して主軸１と連結させるとともに、ハブ３が支持フレーム４に対し回転可能に取り付けられている。すなわち、支持フレーム４は、ナセル１１のヨーベース（台座）に連結され、上記主軸１も支持スレーム４を介してヨーベースに取り付けられる。
【００２３】
本実施の形態では、更に、前記ハブ３に取り付けられた主軸１にスプロケットＳ１が一体的に取り付けられる一方、前記増速機７の軸７ｊにスプロケットＳ２が取り付けられ、これらのスプロケットＳ１,Ｓ２に巻き回されるチェーンＴにより連結され、ハブ３に取り付けられた主軸１が増速機７に連結される構造になっている。具体的には、上記ハブ３の支持フレーム４側には、上記スプロケットＳ１が一体的に取り付けられ、その中心に上記主軸１がベアリングＢ２を介して取り付けられている。上記スプロケットＳ１は、ドラム（図示せず）の外周に一体的に取り付けられている。一方、増速機７の軸７ｊには、上記スプロケットＳ１よりも径の小さなスプロケットＳ２が取り付けられると共に、衝撃緩衝装置（衝撃緩衝継ぎ手）Ｋが取り付けられ、そしてナセル１１に連結されるベアリングＢが取り付けられている。本実施の形態では、上記主軸１側のスプロケットＳ１の方が増速機７の軸７ｊ側のスプロケットＳ２よりも大きく、ここでは増速比を１：３にして、増速機７のギヤの段数を減少させて、増速機７と衝撃緩衝装置Ｋの負荷の軽減と軽量化を図っている。ここで、増速比を１：３にした理由は、ブレード等の大きさやチェーンやスプロケットＳ１，Ｓ２の耐久性等を考慮し、最も現実的な増速比を選定したにすぎず、１：５や１：１０等にすることも理論的には可能である。これらのギヤ段数の増減は、自動的にギヤの段数を増減させる構造を採用しても良いが、ここでは、増速機７の軸７ｊ側のスプロケットＳ２の大きさを交換することで、任意の増速比を得ることとなっている。
【００２４】
前記ハブ３と主軸１とは、ベアリングＢ１,Ｂ２を介して連結されている。このベアリングＢ１,Ｂ２は、大小２個使用されて、先端側の小さい方のベアリングＢ２を取り外すと、これよりも径の大きな後方側のベアリングＢ２を取り外すことができ、これによりメンテナンスが容易になっている。ここで、先端側の方が小さなベアリングになっているが、これは後方側よりも先端側の荷重が少ないからであり、先方側と後方側とで同じ大きさにしたりすることは実施に応じ任意である。また、ブレーキ機構ＢｋがスプロケットＳ１と同列に取り付けられている。このブレーキ機構Ｂｋは、ディスクブレーキであるが、上記ドラム状のスプロケットＳ１と同列に取り付けられることにより、ブレーキ負荷の軽減と制動性の向上が図られる。また、ドラム状のスプロケットＳ１は、金属製のものであり、放熱性の向上も図られるようになっている。なお、符号Ｂｐは、ブレーキキャリパーである（図３）。なお、第１の実施の形態と同様に、支持フレーム４は、少なくともブレード２が取り付けられているハブに相対する部分は環状であり、回転可能に取り付けられたハブ３の支持がベアリング等の回転軸受け（ころ軸受け）５を２箇所、前記環状部分に用いている構成である。
【００２５】
したがって、上記構成により、風の力を受けると、複数のブレード２がハブ３に取り付けられた主軸１を中心に回転するが、上記ハブ３は、ベアリングＢ１,Ｂ２を介して支持フレーム４に支持されており、複数のブレード２とハブ３の重量は支持フレーム４に支えられ、主軸１には、ハブ３の回転力だけが伝わる。このため、主軸１と動力発生装置である増速機７、発電機８は定格出力を発生させるために必要な大きさのものでなくとも、ブレード２は取得エネルギーを増やすため長さを最大化でき、設備利用率の高い風力発電機を提供することができる。
【００２６】
そして、主軸１の軸芯と増速機７の軸芯とがずれることとなり、ブレード２の回転や渦、乱流による振動が主軸１を通じて増速機７の軸７ｊに直接伝わる事態を防止できると共に、増速機７のギヤ段数を減少させることができる。また、衝撃緩衝装置Ｋの取付けを容易にし、増速機７に対する衝撃を無くすることができる。
【００２７】
上記構成の第１と第２の実施の形態のような風力発電機は、日本の海岸線や山間地等に設置されて好適な風力発電機であり、例えば中風速と言われる４ｍ／ｓ〜５．５ｍ／ｓに対しても低コストでブレード２を最大化した風力発電機となるとともに、台風による突風被害に対しても、また、それらに対応したメンテナンスの上でも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る風力発電機の部分断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る風力発電機の正面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る風力発電機の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  主軸、
２  ブレード、
３  ハブ、
４  支持フレーム、
５  軸受け（ころ軸受け、ベアリング）、
６  制動装置（ブレーキディスク）、
７  増速機、７ｊ  増速機の軸、
８  発電機、
９  カップリング、
１０  タワー、
１１  ナセル、
Ｂ,Ｂ１,Ｂ２  ベアリング、
Ｂｋ  ブレーキ機構（ディスクブレーキ）、
Ｋ  衝撃緩衝装置（衝撃緩衝継ぎ手）、
Ｓ１,Ｓ２  スプロケット、
Ｔ  チェーン
【図１】
0004541282.tif 000002
【図２】
0004541282.tif 000003
【図３】
0004541282.tif 000004